CN102580993A - 一种有机污染土壤的原位修复技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有机污染土壤的原位修复技术，涉及环保技术领域。其特征在于该方法包括四个系统：①蒸汽注入系统、②土壤抽提系统、③监测系统、④地面废气废水处理系统。该方法根据污染场地土层特征及污染物分布状况，建立土壤修复系统，确定蒸汽注入井、抽提井及监测井的位置、深度和结构。污染场地土壤及有机污染物被蒸汽加热到一定温度，促使有机污染物从污染土壤中挥发出来，随同蒸汽经由抽提井进入抽提管路，经换热器冷却，进入气液分离器实现气液分离，冷凝液由废液管路流入废液储槽，处理后再利用，废气经过风机进入活性炭吸附塔或高温催化氧化炉，除去污染物，实现达标排放。本发明提供了一种快速高效的有机污染场地修复技术，以相对较小的设备投资就能够达到预期的治理目标，具有广阔的应用前景。

Description

一种有机污染土壤的原位修复技术

技术领域

本发明属于环保技术领域，涉及一种有机污染土壤的原位修复技术，具体的说是一种采用蒸汽加热强化的土壤气提(SVE)技术对有机污染土壤进行修复的方法。

背景技术

土壤和地下水不仅是重要的农业生产资源，也是重要的环境要素，是人类赖以生存的基础。地球上的土壤是各种人为的和自然污染物的汇集体，环境中大部分的污染物最终会滞留在土壤中，从而导致土壤环境日益恶化。随着石油工业和化工工业的快速发展，有机物质对土壤的污染越来越严重，并超过了重金属污染和放射性污染而跃居首位，形成了数量众多的污染场地。污染场地的调查和修复已成为世界性的环境难题，并越来越引起人们的重视。场地土壤中的有机污染物主要来源于：(1)在石油的勘探与开采、储存与运输过程中，由于操作不当或事故泄露造成的石油排放或外溢；(2)石油、化工生产区、加油站等地形成的落地油、含油生产污水排放和输油管道的渗漏；(3)化工厂、农药厂等化学品生产企业，在生产车间、分装车间、药品储存仓库和厂区内运输途中造成的原料和药品泄露，以及印刷、建材、喷涂等行业排放的原料和废水。如果不对上述污染场地进行及时治理，则会导致严重的地下水污染，将来的治理难度和费用将会成倍增加。

目前，常用的污染场地修复技术包括异位和原位两大类。异位主要是指挖掘及后处理，即通过机械、人工等手段，使土壤离开原位置，再采用化学物理或生物等多种方法对其后处理、处置和再利用。异位修复技术涉及到挖土和转运，过程中存在二次污染的危险，存在明显不足。原位修复技术在近年得到广泛应用。其中，美国自80年代中期以来，已经投入大量资金用于土壤修复，一些新的原位修复技术应运而生，如化学氧化、土壤气提、微生物修复等。其中，土壤气提(SVE)是去除包气带土壤中有机污染物的最经济有效的方法，被美国环保局(EPA)称为“革命性技术”而大力倡导应用。

SVE技术是一种利用物理方法，通过降低土壤孔隙的蒸汽压，把土壤中的污染物转化为蒸汽形式而加以去除的技术，可分为原位土壤气提技术、异位土壤气提技术和多相浸提技术。气提技术适用于地下含水层以上的包气带；多相浸提技术适用于包气带和地下含水层。原位土壤气提技术适用于处理挥发性的有机污染物，如有机卤代物或非卤代物，也可用于去除土壤中的油类、重金属、多环芳烃或二噁英等污染物；异位土壤气提技术适用于修复有机卤代物和非卤代物的污染土壤；多相浸提技术适用于处理中、低渗透型地层中的有机污染物。

SVE技术的显著特点是可操作性强、处理污染物的范围宽、设计相对简单(可由标准设备操作)、不破坏土壤结构、成本较低以及对回收利用废物有潜在价值等。SVE因不需要复杂的设计或特殊的设备，就会达到体系最佳的效率及污染物的去除效果，从而优越于其它如生物处理或土壤冲洗等技术。SVE技术的应用有其前提条件和适用范围，需要对污染场地进行必要的调查和评估，掌握其土壤条件和污染状况。SVE修复效果的影响因素有土壤的渗透性、土壤含水率与地下水深度、土壤的结构和分层、气相抽提流量、污染物的蒸汽压及环境温度等。

SVE技术由于其在环境修复领域具有有效去除VOCs及易于操作和运行等优点。目前已被发达国家广泛应用于土壤及地下水修复领域的实际工程中。为提高SVE技术的运行效果，可与其它如空气喷射(Air Sparging，AS)、双相抽提(Dual-phase Extraction，DPE)、直接钻进(Directional Drilling，DD)、风力及水力压裂(Pneumatic and Hydraulic Fracturing，PHF)以及热强化(Thermal Enhancement，TE)等原位修复技术相结合而形成SVE增强技术。热强化技术，即土壤原位加热，是指通过直接或间接热交换，将污染介质及其所含的有机污染物加热到足够的温度，使有机污染物从污染介质挥发或分离的过程。热强化技术包括微波加热、射频加热、电阻加热、热空气注入、高温蒸汽注射等，能明显降低净化时间，还可去除常规SVE技术不能清除的低挥发性有机物或半挥发性有机物(sVOC)。其中，高温蒸汽以其来源广、价格低廉、热焓高的特点而经常用于实际工程中，大大缩短了修复工期。与SVE技术相似，影响蒸汽加热强化技术的因素众多，如土壤渗透性、土层结构、注入压力、蒸汽温度及流量等。

目前，已经有单位或个人开展了一些有关有机污染场地修复技术的研究。专利CN1290632C公开了一种挥发性和半挥发性有机污染土壤场外治理工艺及装置，通过将土壤从场地中挖掘出并填入一容器内，利用电加热和真空抽提促使吸附在土壤中的污染物挥发，随气相带走，最终实现土壤修复的目标。但是该工艺需要将土壤挖掘异位处理，过程中必将导致二次污染，同时电加热耗电量巨大，成本较高。专利CN1185055C公开了一种污染土壤蒸汽处理方法及装置，该方法通过将污染土壤在一容器中配置成泥浆，利用泥浆泵将泥浆泵入高压反应器，电加热至200-300℃，使多环芳烃污染物从土壤中脱附，进入水蒸气，净化后的土壤由分离器分离，排出；多环芳烃类污染物和水蒸气冷凝，经液液分离器分离排出，最终实现污染土壤的修复。该方法的缺点在于土壤配置成泥浆需要耗费大量的水，并且加热高压反应器内的泥浆时耗能巨大，大量的能量用于加热水分，导致能源浪费。

针对目前一些土壤修复技术面临的问题和缺陷以及蒸汽热强化SVE技术的影响因素，本发明设计了一套包括蒸汽注入系统、土壤抽提系统、监测系统及地面废气废水处理系统的工艺路线，该套工艺可用于有机污染场地的现场修复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、快速、可行的有机污染场地修复方法，即采用蒸汽注入系统、土壤抽提系统、监测系统及地面废气废水处理系统联合工作进行原位土壤修复的方法。

本发明通过以下技术方案加以实现：一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于该方法包括四个系统：①蒸汽注入系统、②土壤抽提系统、③监测系统、④地面废气废水处理系统。蒸汽注入系统是由蒸汽发生器、流量调节阀、蒸汽管道、压力调节阀及蒸汽注入井组成，蒸汽发生器出口处有流量调节阀，蒸汽注入井井头设有压力调节阀；土壤抽提系统是由抽提井、换热器、气液分离器、气提流量计、真空风机及抽提管路组成，抽提井井头设有真空表和气体取样口，主管路上设置阀门；监测系统是由监测井、测压装置、测温装置组成；地面废气废水处理系统是由活性炭吸附塔或高温催化氧化炉、废水储槽、水泵及活性炭过滤装置组成。

所述的一种有机污染土壤的原位修复技术是根据污染场地土层特征及污染物分布状况，建立土壤修复系统，确定蒸汽注入井、抽提井及监测井的位置、深度和结构。

所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其修复过程可连续或间歇进行，污染场地在修复过程中保持地表密封，密封材料为水泥混凝土、沥青、膨润土垫、高密度聚乙烯膜中的一种。

所述的蒸汽注入井、抽提井及监测井内的井管末端被堵头密封，井管上设有井屏，井屏位于土壤包气带中。蒸汽注入井通过蒸汽主管道并联连接，抽提井通过抽提主管道并联连接，每口井井头设有开关阀门，可以所有井同时工作，也可以选择性地取井工作。

所述的蒸汽注入井、抽提井及监测井内有井管连接地上管路，井管与井壁之间填充密封材料以防止系统与地上外界环境发生短路，密封材料由上往下依次是水泥混凝土、膨润土或粘土、砾石。

所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，工作特征如下：污染场地土壤及有机污染物被蒸汽加热到一定温度，促使有机污染物从污染土壤中挥发出来，随同蒸汽经由抽提井进入抽提管路，经换热器冷却，进入气液分离器实现气液分离，冷凝液由废液管路流入废液储槽，废气经过风机进入活性炭吸附塔或高温催化氧化炉，除去污染物，实现达标排放。

所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，监测井用来监测污染场地的土壤加热温度、地下真空度及地下水水位。

所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其工艺路线如下所述：(1)气提系统工艺参数确定。首先，在污染场地设置一口气提井，并在气提井周围设置一定数量的监测井；然后，选择合适的真空气泵，采用空测法测定气泵的特性曲线，确定气提工作流量范围；接着，连接真空气泵与抽提井，开启真空气泵，测试井头真空度与气提流量的关系，得到SVE系统曲线；最后，测量某一抽提流量下各监测井的真空度，确定单井抽提的影响半径。(2)蒸汽注入系统工艺参数的确定。在离气提井合适的距离处设置一口蒸汽注入井，并在其周围布置监测井；一定压强(2-8atm)的饱和水蒸汽通过蒸汽管路输送到蒸汽注入井井头，在井头压力调节阀的调节作用下，调节至合适的压强，注入蒸汽注入井中；在抽提井工作条件下，通过监测井监测土壤温度与加热时间的关系，确定合适的蒸汽注入井的有效半径。(3)地上废气废水处理系统处理能力确定。

本发明提供了一种快速高效的有机污染场地修复技术，相比其它的修复方法而言，该方法以相对较小的设备投资就能够达到预期的治理目标。工程实施结果表明，本发明是一种设计合理、设备简单、操作运营方便以及易于维护的有机污染场地原位修复方法，具有广阔的应用前景。

附图说明-

图1是修复系统工作示意图。

下面是说明书附图中主要部位标记的说明：

1-废气处理装置    2-真空风机    3-气体流量计    4-气液分离器

5-换热器    6-抽提管路    7-阀门    8-真空表    9-水泥混凝土

10-膨润土    11-砾石    12-抽提井    13-井管堵头    14-井屏

15-井套管    16-测压表    17-测温表    18-蒸汽源    19-焊接钢管

20-压力调节阀    21-压力表    22-蒸汽注入井    23-离心水泵

24-废水处理装置

具体实施详例

该技术方法适用于修复被挥发性或半挥发性有机物污染的场地土壤，如被苯系物、氯代烃类、汽油、TVOC等污染的土壤。在修复工程开始前，必须确定各系统的关键运行参数。

气提系统关键运行参数：为确保场地的修复效果，必须先考察抽提系统的抽提能力，确定抽提系统真空风机的抽提能力数据。风机的特性曲线采用空测法进行测定，将真空风机的入口与抽提主管路断开，泵吸入口压力的测量采用U形压力计，测得泵吸入口真空度与气相抽吸流量的关系，得出真空风机的特性曲线。将真空风机与抽提主管路相连，检查系统的气密性，测试不同抽提真空度条件下的气体流量，描绘SVE工作曲线，该曲线与真空风机的特性曲线的交点为工作点。在工作点条件下开启SVE抽提系统，记录抽提井周围各监测井的井头真空度，从而初步确定抽提井的压力影响半径，压力影响半径是SVE工程设计的最重要参数之一。测定一定气相抽提流量下距离抽提井不同径向距离的监测井井头瞬时真空度的变化，以考察修复场地土壤各向异性的影响以及非稳态下瞬时真空度的变化与径向距离的关系。测定一定气相抽提流量下监测井不同深度瞬时真空度的变化，以考察修复场地土壤垂直深度内各层土壤的通透性状况。

蒸汽系统的关键运行参数：在抽提井工作的情况下，向蒸汽注入井中通入饱和蒸汽，利用蒸汽冷凝释放的热量加热场地内的土壤和污染物，促使有机污染物从污染介质中挥发或分离出来，通过抽提管路抽提至地上尾气处理系统。在通入蒸汽的过程中，通过调节蒸汽注入井的井头压力调节阀，监控不同蒸汽注入压对场地地层结构的影响，通过监测井监测土壤的升温速率及距离蒸汽注入井不同径向距离处的土壤温度随时间的变化关系，最终确定合适的蒸汽注入压以及蒸汽注入井单井有效影响半径。

下面结合实际工程对本技术进行详细的说明。某一小型化工厂场地被多种有机污染物污染，污染情况列于表1。

表1污染场地情况一览表

污染场地面积约400m²，场地被污染的土层结构由上往下主要是素填土和粉土夹粉质粘土，土壤水平和垂直渗透系数约10^-4cm/s，污染深度约3.6m，是一复合型污染场地。污染修复过程中，首先在污染场地地表浇筑一层50mm厚的水泥混凝土，密封待修复场地；接着进行了现场中试试验，确定抽提井和蒸汽井的有效影响半径；关键参数确定后，在污染场地内打直径为130mm的9口蒸汽注入井，16口气提井，20口监测井，蒸汽注入井之间及抽提井之间的井间距为6m，按照图1所示安装各井的井套管；然后分别连接抽提管路和蒸汽管路，抽提系统采用两台真空风机串联，一台工作，一台备用，蒸汽由一台蒸汽锅炉提供；废水废气采用活性炭吸附处理。修复过程中，调节真空风机的抽提流量在20m³/min左右，16口抽提井分为四个单元，每一单元由4口抽提井并联，抽提操作为单元顺序操作，每一单元抽提45分钟。所有蒸汽注入井在修复过程中同时运行，利用井头压力调节阀调节蒸汽注入压在0.6atm左右。该场地的修复工程运行约5个月，抽提时间持续约3个月，期间保持蒸汽注入，维持土壤温度在80℃左右。场地修复结束后，各污染物含量均低于筛选值。

所述实施详例只是用于说明而不是限制本发明，在本发明启示下并且不脱离本发明权利要求所保护的范围内的情况下所作出的其他形式的变通，均在本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：该方法包括四个系统：①土壤抽提系统、②蒸汽注入系统、③监测系统、④地面废气废水处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：土壤抽提系统是由抽提井、换热器、气液分离器、气体流量计、真空风机及抽提管路组成，抽提井井头设置真空表和气体取样口，主管路上设置阀门；蒸汽注入系统是由蒸汽发生器、蒸汽传输管路、压力调节阀、压力表及蒸汽注入井组成，蒸汽发生器配有安全阀，蒸汽注入井井头设置压力调节阀；监测系统是由监测井、测压装置、测温装置组成；地面废气废水处理系统是由活性炭吸附塔或高温催化氧化炉、废水储槽、水泵及活性炭过滤装置组成。

3.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：根据污染场地土层特征及污染物分布状况，建立土壤修复系统，确定蒸汽注入井、抽提井及监测井的位置、深度和结构。

4.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：该方法用于修复被挥发性或半挥发性有机污染物污染的场地，修复过程可连续或间歇进行。

5.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：污染场地在修复过程中保持地表密封，密封材料为水泥混凝土、沥青、膨润土垫及高密度聚乙烯膜中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：各蒸汽注入井通过蒸汽传输主管道并联连接，各抽提井通过抽提主管道并联连接，每口井井头设有开关阀门，所有井可以同时工作，也可以选择性的顺序工作。

7.根据权利要求2所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：蒸汽传输管采用焊接钢管，抽提管采用PVC管、PPR管、PPH管及ABS管中的任意一种；蒸汽注入井、抽提井及监测井内的井管末端被堵头密封，井管上设有井屏，井屏位于土壤包气带中。

8.根据权利要求2所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：蒸汽注入井、抽提井及监测井内有井管与地上管路连接，上部井管与井壁之间填充密封材料以防止系统与地上外界环境短路，密封材料由上往下依次是水泥混凝土、膨润土或粘土、砾石。

9.根据权利要求2所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：污染场地土壤及有机污染物被蒸汽加热到一定温度，促使有机污染物从污染土壤中挥发出来，随同蒸汽经由抽提井进入抽提管路，经换热器冷却，进入气液分离器实现气液分离，冷凝液由废液管路流入废液储槽进行后续处理，废气经过风机进入活性炭吸附塔或高温催化氧化炉，实现除去污染物的目的。

10.根据权利要求2所述的一种有机污染土壤的原位修复技术，其特征在于：监测井用来监测污染场地的土壤加热温度、地下真空度及地下水水位。

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